Вначале рассчитывается безразмерная величина θ по формуле
θ = (t -tп)/(t o -tп) , (5.22)
гдеt - температура, до которой необходимо охладить породы, нагретые инертной пеной, °С (соответствует температуре боковых пород в нормальных условиях, но не выше 60 °С);
tп- температура инертной пены,оС (при расчетах принимается 5оС);
t o - температура кусков обрушенной породы (принимается при расчетах в среднем 200 °С).
По номограмме (рис.5.30) в соответствии с величиной θ и максимальным радиусом кусков насыпных пород в выработанном пространстве определяется время их охлаждения.
После расчета величины θ по номограмме откладывается ее значение на горизонтальной оси и от нее восстанавливается перпендикуляр до пересечения с наклонной линией, соответствующей максимальному радиусу кусков нагретых обрушенных пород в выработанном пpo стpa нстве (см.точкуF ). От точки пересечения параллельно оси абсцисс проводится линия до встречи с вертикальной осью номограммы (ось ординат), показывающей время охлаждения нагретых боковых пород (в часах).
По формулам (6.23), (5.24), соответственно, рассчитываются количество пенообразователя и жидкого азота, необходимых для полного тушеная пожара инертной пеной (м3);
Vпо= 3Qпτп/К , (5.23)
Vа= 0,08Qпτт, (5.24)
гдеQ п - производительность установки по инертной пене, м3/мин;
К - кратность инертной пены;
К = 8tж
Рис. 5.30. Номограмма для определения времени охлаждения пеной насыпных пород с радиусом кусков от 0,1 до 0,64 м
Расход жидкого азота, который можно подать в водный раствор пенообразователя, чтобы исключить его замерзание, определяется из уравнения
q a =qжtж/108(5.25)
где qж- количество подаваемого водного раствора пенообразователя, м3/ч (для устройства УИПqжв 6 м3/ч) ;
tж- температура водного раствора пенообразователя, °С.
Пример. Рассчитать параметры тушения инертной пеной подземного пожара, возникшего в выработанном пространстве действующего очистного забоя. По данным маркшейдерской службы шахты объем выработанного пространства составляетV = 6000 м3.
Для получения инертной пены используется жидкий азот, подаваемый от доставленных в шахту транспортных азотных емкостей.
От пенообразующих устройств к очагу пожара пена подается вначале по рукавной линии диаметром 77 мм и длиной 80 м, а затем по скважинам длиной 50 м каждая, обсаженным металлическими трубами диаметром 100 мм. Температура воды в пожарно-оросительном трубопроводе равна 20 °С, Абсолютная газообильность аварийного участка составляет 5 м3/мин. Температура, до которой необходимо охладить нагретые породы инертной пеной, равна 40оС. Максимальный радиус кусков, обрушенных в выработанное пространство пород, составляет по данным геологической службы шахты 0,5 м.
Для получения инертной пены и ее подачи к очагу пожара применяем устройство УИП, По величине объема выработанного пространства определяем число одновременно работающих устройств УИП.
n =V o /Vуип= 6000/2000 = 3 ,
По формуле (5.25) определяем расход жидкогоa зотa , который можно подать в водный раствор пенообразователя, чтобы исключить его замерзание:
q a = 6·20/108 = 1.1 м3/ч
В соответствия с технической характеристикой расход жидкого азота для устройства УИП не превышает 0,9 м3/ч. Следовательно, при температуре воды 20 °С, используемой для получения инертной пены, замерзание водного раствора пенообразователя исключается.
По формуле (5.17) определяем давление, которое должен иметь поступающий к устройству УИП жидкий азот для обеспечения подачи инертной пены по рукавам и скважине к очагу пожара:
ΔР= 0,019· 80 +0,016·50 = 2,3 кгс/см2.
Следовательно, давление жидкого азота, создаваемое транспортной емкостью (2,5 кгс/см2), обеспечивает подачу инертной пены от устройства УИП к очагу пожара.
По формуле (5.21) определяем время, необходимое для уменьшения концентрации кислорода в выработанном пространстве, при которой прекращается пламенное горение:
τсн= (6000·1/60 - 3·10)ln (20,5/5)/(3·10 + 5 + 9)1/60 = 135 мин ≈ 2,2 ч
Для определения времени охлаждения инертной пеной нагретых пород по формуле (5.22) рассчитываем величину
θ = 40·5/(200 - 5) = 0,1795.
В соответствии с данной величиной и радиусом обрушенных в выработанном пространстве кусков пород но номограмме (см.рис.5.30) определяем время их охлаждения
τохл = 11,2 ч.
Общее время тушения очага и охлаждения боковых пород инертной пеной .
τт = 2,2 + 11,2 = 13,4 ч.
По формуле (5.23) прочитываем количество пенообразователя,
необходимое для полного тушения пожара и охлаждения нагретых
пород:
Vпо= 3·30·13,4/160 = 7,5 м3(8,3 т).
По формуле (5.24) рассчитываем необходимое количество жидкого азота для полного тушения пожара
Vа= 0,08·30 - 13,4 = 32,3 м3
Емкости, применяемые для транспортирования жидкого азота по горным выработкам, вмещают от 0,5 до 1,5 т. Для снижения частоты их замены в процессе тушения инертной пеной целесообразно каждое устройство УИП подсоединять к отдельной емкости.
Пример. Для условий предыдущего примера рассчитать параметры тушения инертной пеной, если к устройству УИП подается газообразный азот с поверхности по пожарно-оросительному трубопроводу, отдельные участки которого имеют длину 300, 500 и 1000, а диаметры соответственно 200, 150 и 100 мм.
По формуле (5.15) определяем приведенную длину трубопровода
Lпр= 300·0,22 + 500·1,0 + 1000·8,5 = 9,1 км.
С учетомLпри суммарного расхода газообразного азота для трех устройств УИП (30 м3/мин) по графику (см.рис.5.30) определяем величину давления для транспортирования азота от газификационной установки до устройства УИР ( Ртр).
Для условий данной задачиPтр= 6,5 кгс/см2. По формуле (5.16) определяем общее давление газообразного азота в начальном сечении азотоподающего трубопровода
Ра= 6,5 + 2,3 = 8.8 кгс/см2.
Для обеспечения требуемого объемного расхода (30 м3/мин) и давления (8,8 кгс/см2) газообразного азота при его подаче от газификационной установки до устройства УИП и инертной пены в очаг пожара необходимо к подающему трубопроводу подсоединить три установки АГУ-2м н АГУ-8к или одну высокопроизводительную передвижную газификационную азотную станцию, которая обеспечивает расход газообразного азота до 100 м3/мин при максимальном давлении в начале подающего трубопровода 20 кгс/см2.
Остальные параметры тушения инертной пеной соответствует их значениям, приведенным в вышеописанном примере.
5.4. Технология инертизации выработанного пространства для предупреждения и локализации эндогенного пожара.
Технология предупреждения и локализации эндогенных пожаров с помощью азота основана на создании в выработанных пространствах действующих очистных забоев инертной среда, при которой процесс окисления угля замедляется или вообще прекращается.
Инертизация выработанных пространств действующих очистных забоев рекомендуется:
для локализации эндогенных пожаров при явных признаках самовозгорания в сочетании с повышением скорости подвигания очистного забоя;
для предупреждения эндогенных пожаров в очистных забоях с высокой степенью пожароопасности при оставлении пачек угля у кровли, наличии геологических нарушений и при подработке сближенных нерабочих пластов;
в высокопроизводительных очистных забоях, оснащенных дорогостоящим оборудованием.
Во всех случаях в этих очистных забоях необходимо снижать утечки воздуха через выработанное пространство с помощью установки перемычек и сооружения изоляционных полос вдоль штреков.
Газификация жидкого азота производится на поверхности. Подача газообразного азота в выработанное пространство осуществляется по пожарным рукавам и трубам, заведенным через изоляционные полосы под давлением 0,6...0,7 МПа по ходу преобладающих утечек (рис.5.31).
В первоначальный момент времени силами подразделений ВГСЧ с выводом горнорабочих с участка производится массированный выпуск азота с производительностью не менее 100 м3/мин до создания в выработанном пространстве содержания кислорода менее 10 %, и на исходящей струе - ниже санитарных норм оксида углерода.
После этого подачу азота уменьшают до величины, зависящей от величины утечек воздуха (qв) через выработанное пространство, и вычисляемой по формуле:
q N2>q b (-C H N2)/(1 -C max N2) (5.26)
гдеq N2- дебит азота, м3/мин;
C H N2- содержание азота в поступающем в выработанное пространство воздухе, %
C max N2- содержание азота в выработанном пространстве, %.
Рис. 5.31. Технологические схемы инертизации выработанного пространства с помощью азота.
Для контроля за составом атмосферы в выработанном пространстве через каждые 50 м подвигания забоя в лаве монтируется перфорированный трубопровод диаметром 50 мм, в котором размешается гибкий шланг для отбора проб газа.
5.5. Технология предупреждения, локализации и тушения эндогенных пожаров в действующих выемочных полях и участках с помощью инертной пены
Технология предупреждения и локализаций эндогенных пожаров а действующих выемочных полях с помощью инертной пены и вспененной суспензии основана на создания в выработанном пространстве воздухонепроницаемой "пенной завесы", обладающей следующими основными свойствами:
плотность пены в К раз меньше воды ( К - кратность пены);
вязкость пены на два порядка больше вязкости воды ( μводы= 1,0·10-2Н·с/м2, μ пены с кратностью 80 равна 4,2 Н·с/м2);
химическая активность углей, обработанных пенообразующей жидкостью в 5...7 раз ниже, чем у естественного угля, за счет лучшей смачиваемости угля; эффект дезактивации от применения пен на 20...30 % выше) чем у других антипирогенов на жидкой основе;
"пенная завеса" перекрывает зону фильтрации воздуха в обрушенных породах выработанного пространства и изолирует очистной забой от проникновения в него ядовитых газов и тепла, герметизирует полости выработанного пространства.
При тушении эндогенных пожаров наряду с перечисленными свойствами инертная пена интенсивно охлаждает нагретые массы угля и порода за счет отбора тепла на испарение. Пар раствора пенообразователя и азот, выделившийся из газовой фазы пены, инертизируют выработанное пространство.
5.5.1. Типовые технологические схемы для тонких пластов пологого и крутого падения
Схема 1 (рис.5.32). Крутое падение пласта, лава оборудована щитовым агрегатом, отсутствует возможность подачи газообразного азота с поверхности, а жидкого - в сосудах ЦТК по вентиляционному штреку. С вентиляционного штрека бурятся скважины диаметром 77...100 мм в выработанное пространство отрабатываемого щитовым агрегатом столба. С откаточного горизонта на вентиляционный штрек бурится скважина, по которой прокладывается трубопровод. На груп-
P иc . 5.32. Технологическая схема 1:
1- трубопровод сжатого воздуха ; 2- ЦТК (цистерна транспортная криогенная) ; 3- ГЖА (газификатор жидкого азота) ; 4- трубопровод газообразного азота ; 5- УИП (устройство инертной пены) ; 6- РТ-80 (разветвлениe трехходовое) ; 7- гибкие рукава ; 8- скважины; 9- ПС-1 (пеносмеситель) ; 10 - емкость с пенообразователем; 11- водопровод; 12- вентилятор
повом штреке откаточного горизонта проходится камера, в которой устанавливается криогенное оборудование.
Жидкий азот доставляется на шахту установкой УПА-8/0,25. На аварийный участок азот в жидком виде транспортируется в специальных сосудах типа ЦТК-1/0,25, установленных на платформе шахтной вагонетки. В камере откаточного горизонта устанавливается цистерна транспортная криогенная 2, из которой жидкий азот подается в газификатор 3. Из газификатора по трубопроводу 4, проложенному в скважине, газообразный азот наступает в устройство инертной левы. Для получения инертной пены в певогенераторе из пеносмесителя 9 подается водный раствор пенообразователя, который эжектируется из емкости 10. Инертная пена из пеногенератора нагнетается через разветвление трехходовое 6 по гибким рукавам 7 в скважины 8, из которых она поступает в выработанное пространство отрабатываемого щитовым агрегатом столба. Для одного щитового столба бурятся 3...4 скважины. Буровой станок располагается непосредственно в штреке или специальной нише. Для предотвращения прорыва пены в штрек скважины обсаживаются металлическими трубами, а затрубное пространство тампонируется.
Схема 2 (рис.5.33). Крутое падение пласта, лава оборудована щитовым агрегатом, газообразный азот подается к пеногенератору по трубопроводу с поверхности. По этой схеме жидкий азот доставляется на шахту установками АГУ-8к или АГУ-2м. В остальном схема идентична схеме 1.
Схема 3 (рис.5.34) применяется в тех случаях, когда выемка угля щитовым агрегатом начинается с монтажной камеры, пройденной непосредственно под вентиляционным штреком. Подача газообразного азота к устройству инертной пены 2 может осуществляться, как это предусмотрено в схемах 1, 2, в зависимости от конкретных условий и возможностей шахты. Отличительной особенностью этой схемы является то, что инертная пена подается в выработанное пространство по перфорированным трубам 8 непосредственно под подошву вентиляционного штрека.
Схема 4 (рис.5.35). Крутое падение пласта, потолкоуступная лава с бутовой полосой под вентиляционным штреком. Наличие закладки в верхней части выработанного пространства обусловливает необходимость подачи пены ниже бутовой полосы. Поэтому скважины следует бурить о группового (полевого) штрека под бутовую полосу, с тем чтобы обработать выработанное пространство на всю высоту этажа. В случае
Рис. 5.33. Технологическая схема 2 :
1- УПА (установка для перевозки азота) ; 2- трубопровод подачи газообразного азота ; 3- пеносмеситель ПС-1; 4- водопровод; 5- емкость с пенообразователем; 6- УИП (устройство инертной пены) ; 7- РТ-80 (разветвление трехходовое) ; 8- гибкие рукава ; 9- скважины; 10 - манометр
Рис.5.34. Технологическая схема 3:
1- трубопровод подачи газообразного азота; 2- УИП (устройство инертной пены); 3- пеносмеситель ПС-1; 4- емкость с пенообразователем ; 5 - водопровод; 6- РТ-80 (разветвление трехходовое) ; 7- гибкие рукава ; 8- перфорированные трубы.
Рис. 5.35. Технологическая схема 4:
1- скважины для нагнетания пены; 2- трубопровод газообразного азота ; 3- УИП (устройство инертной пены) ; 4- РТ-80 (разветвление трехходовое) ; 5- гибкие рукава; 6- ПС-1 (пеносмеситель) ; 7- емкость с пенообразователем; 8- водопровод
мелкослоистых, легкообрушающихся вмещающих пород, которые легко уплотняются и затрудняют фильтрацию пены, рекомендуется нижние часть лавы обрабатывать через скважины, пробуренные с группового (полевого) штрека откаточного горизонта. Количество скважин и их длина выбираются для конкретной обстановки: местонахождения очага самовозгорания, его размеров, интенсивности, расстояния между групповым и пластовым штреками и др.
Схема 5 (рис.5.36). Пологое залегание пласта; комплексно-механизированная лава, отрабатываемая обратным ходом по простиранию; проветривание возвратноточное.
Для формирования в выработанном пространства данного потока необходимой ширины на вентиляционном штреке возводятся пеноупорные перемычки 1 из пенопласта, брусьев, чураков и других материалов. Расстояние между перемычками устанавливается по результатам локации очага (очагов) самовозгорания или определяется с помощью ЭВМ по имеющимся аэрологическим и геологическим данным. Аналогичным путем определяется и расстояние между, перемычками но падению, на которое необходимо додать дену. Один из этих параметров (L ) при известном .другом (α) ориентировочно можно определить из выражения
L = 1.6·10-3 hd kam /Q пγμ , (5.27)
гдеL - расстояние по падению, на которое необходим» подать
пену, м;
h - давление в пенопроводе перед перемычкой, кгс/см2;
dк- средний диаметр кусков обрушенных пород, м;
а - расстояние между пеноупорными перемычками, м;
m - вынимаемая мощность пласта, м;
Qп- производительность пеногенератора,м3/с;
γ- удельный вес пены, кг/м3;
μ - динамическая вязкость пены, Па· с.
Инертная пена из пеногенератора 4 подается по пожарному рукаву 3, металлической трубе 2 за перемычку 1. Пеноупорные перемычки 1 обеспечивают формирование равномерного по простиранию потока пены, накрывающего зону повышенных температур, а также предотвращающих притечки воздуха к вышележащему целику угля.
Рис. 5.36. Технологическая схема 5.
1 -пеноупорные перемычки ; 2- металлическая труба ; 3- гибкий рукав; 4- УИП (устройство для получения инертной пены) ; 5- трубопровод газообразного азота ; 6- пеносмеситель ; 7 - емкость с пенообразоваталем: 8- водопровод; 9- пика ; 10- эластичное ограждение
Если очаг самовозгорания находится в нижней части выработанного пространства и обработать его с вентиляционного штрека невозможно, пену подают из лавы через пику 9. В тех случаях, когда пику не удается протолкнуть на необходимое расстояние, для предотвращения выноса пены в призабойное пространство, последнее ограждается от выработанного пространства полиэтиленовым или другим эластичным ограждением (парусом) 10.
Схема подачи газообразного азота к пеногенератору выбирается в соответствии с конкретными возможностями: наличия трубопроводов по стволам и горным выработкам, которые могут быть использованы для подачи газообразного азота; состояния а протяженности горных выработок и др.
Схема 6 (рис.5.37). Пологое залегание пласта, комплексно-механизированная лава отрабатывается обратным ходом по восстанию, проветривание возвратноточное с подсвежением. Подачу пены в очаг самовозгорания производят в зависимости от места его расположения, через пики 3, забиваемые в обрушенные породы выработанного пространства или через скважины 12, которые бурят с конвейерного ходка 13. Герметизация выработанного пространства со стороны конвейерного ходка обеспечивается путем возведения изолирующей полосы 2 из твердеющей пены. Возводить изолирующую полосу необходимо вслед за подвиганием очистного забоя участками длиной 8... 10 м.
5.5.3. Таловые технологические схемы для мощных пластов пологого и крутого падения
Схема 1. Применяется для обработки монтажных, демонтажных камер и зон геологических нарушений (рис.5.38). Обработка производится вспененной глинистой пульпой с использованием в качестве газовой фазы атмосферного воздуха или азота.
Приготовление вспененной глинистой пульпы (ВГП) осуществляется на поверхностном комплексе, а подача - по групповой скважине (шурфу, стволу) до выработок вентиляционного горизонта и далее по сети подземных трубопроводов 1. Доставка ВГП до места обработка ведется по трубопроводам 2, проложенным в вентиляционных выработках данного выемочного поля, монтажных (демонтажных) камерах 3, рабочем пространства очистного забоя 5. Подача ВГП может осуществляться по скважинам с поверхности 4, расстояние между которыми 30 м. Магистральные трубопроводы имеют диаметр 100 мм, а прокладываются в монтажных камерах - не менее 80 мм.
Рис. 5.37. Технологическая схема 6:
1- вентиляционный ходок; 2- изолирующая полоса из твердевшей пены: 3- пики; 4- разветвление трехгодовое; 5- пеносмеситель (ПС-1) ; 6- водопровод; 7- трубопровод газообразного азота ; 8- УИП (устройство инертной пены) ; 9- емкость с пенообразователем; 10- бетонные перемычки; 11- твердеющая пена; 12- скважины; 13- конвейерный ходок; 14- эластичное ограждение; 15- органная крепь.
Рис. 5.38. Технологическая схема 1 профилактики эндогенных пожаров на пластах пологого падения (обработка монтажных, демонтажных камер и зон
геологических нарушений):
1- подземный магистральный трубопровод; 2- трубопровод, проложенный по вентиляционному штреку; 3- перфорированный трубопровод для обработки монтажных, демонтажных камер; 4- скважины с поверхности; 5- забойный трубопровод; 6- линия геологического нарушения; 7- перфорация; 8- пики
Обработка камеры производится после отхода комплекса на 20 и из расчета полного заражения пустот в обрушенных породах. Для этого трубопровод 3 имеет перфорацию 7 (2...3 отверстия диаметром 30 мм по периметру трубы, через каждые 30...40 см ее длины). Трубопровод 3 прокладывается на 2/3 длины лавы.
Потребный объем ВГП, глинистой пульпы, пенообразователя и время обработки определяется по формулам:
τ = С vln (QC v /QC v -v ) ; (5.28)
v = 0.5Lм l m ; (5.29)
vп=Qτ ; (5.30)
Vр=VпК-1; (5.31)
Vпо= СV p /100 ; (5.32)
где τ - время заполнения зоны обработки, ч;
С v - стойкость ВГП, ч;
Q - производительность пеногенераторов, м3/ч;
V - объем пустот в обрабатываемой зоне, м3;
0,5- пустотность обрушенных пород;
Lм- длина монтажной камеры м;
l - ширина обрабатываемой зоны, м;
m - мощность пласта, м;
Vр- объем глинистой пульпы, м3;
К- кратность ВГП ;
Vпо- объем пенообразователя, м3;
С - концентрация пенообразователя.
В связи с тем, что производительность пеногенератора, установленного на поверхностном комплексе, превышает производительность газификатора, в расчет принимается последняя. При подаче ВГП по скважинам с поверхности в случае вспенивания атмосферным воздухом учитывается производительность устройства УВП 1. Стойкость ВГП принимается равной 24 ч, кратность при вспенивании атмосферным воздухом - 10, газообразный азотом - 60...150. Концентрация пенообразователя колеблется в пределах от 0,5 до 2 %, Ширина обрабатываемой зоны принимается не менее мощности пласта, но не болев 15 м. Соотношение твердого (глина) к жидкому (вода) в пульпе должно быть равным 1:4 - 1:5 (по весу), тогда расход глины определяется какVр: (5-6). При использовании в качества газообразной фазы азота его расход определяется по формуле
Vα = (V п -Vp )/854 , (5.33)
гдеVα - расход жидкого азота, т;
854 - коэффициент газификации.
Для обработки демонтажной камеры перфорированный трубопровод прокладывается вдоль очистного забоя после доработки выемочного поля, а обработка вспененной глинистой пульпой - по окончании демонтажа комплекса. ВГП может подаваться по скважинам с поверхности. Определение расхода компонентов ВГП и временя обработки производится по формулам (5.28)-(5.33).
Зона геологического нарушения обрабатывается вспененной глинистой пульпой, подаваемой по той же сети трубопроводов (или скважинам с поверхности), которые служат для обработки монтажных (демонтажных) камер. Для этого на трубопроводе устанавливаются переключающие задвижки. Прокладывается дополнительный трубопровод 5 вдоль очистного забоя до зоны геологического нарушения 6 и от него заводятся за секции крепи перфорированные отрезки трубопровода или пики 8. Расстояние между пиками не должно превышать 20 м. Ширина обрабатываемой зоны, а, следовательно, и число пик определяется углом встречи нарушения с линией забоя. Она будет минимальной при угле встречи 90° и равна длина забоя при угле встречи 0°.